Temperaturni koeficient odpornosti

Električni upor prevodnika je navadno odvisen od materiala prevodnika, njegove dolžine in prereza ali na kratko od upora in geometrijskih mer prevodnika. Ta odvisnost je dobro znana in je izražena s formulo:

Znano vsem in Ohmov zakon za homogeni odsek električnega kroga, iz katerega je razvidno, da večji kot je upor, manjši je tok. Torej, če je upor žice konstanten, potem ko se uporabljena napetost poveča, mora tok linearno naraščati. A v resnici temu ni tako. Upornost žic ni konstantna.

Za primere vam ni treba iti daleč. Če žarnico priključite na nastavljivo napajanje (z voltmetrom in ampermetrom) in postopoma povečujete napetost na njej, tako da jo pripeljete do nominalne vrednosti, boste zlahka videli, da tok ne raste linearno: napetost se približuje nazivne vrednosti sijalke, tok skozi njeno tuljavo narašča vse počasneje in svetloba postaja vse svetlejša.

Ne obstaja taka stvar, kot da bi podvojitev napetosti, uporabljene na tuljavi, podvojila tok. Zdi se, da Ohmov zakon ne drži. Pravzaprav je Ohmov zakon izpolnjen in točno upor žarilne nitke ni konstanten, odvisen je od temperature.

Spomnimo se, kaj je razlog za visoko električno prevodnost kovin. Povezan je s prisotnostjo v kovinah velikega števila nosilcev naboja - trenutnih komponent - prevodni elektroni… To so elektroni, ki jih tvorijo valenčni elektroni kovinskih atomov, ki so skupni celotnemu prevodniku, ne pripadajo vsakemu posameznemu atomu.

Pod delovanjem električnega polja, ki deluje na prevodnik, prosti prevodni elektroni preidejo iz kaotičnega v bolj ali manj urejeno gibanje - nastane električni tok. Toda elektroni na svoji poti naletijo na ovire, nehomogenosti ionske mreže, kot so napake na mreži, nehomogena struktura, ki jo povzročajo njene toplotne vibracije.

Elektroni medsebojno delujejo z ioni, izgubijo zagon, njihova energija se prenese na mrežne ione, pretvori v vibracije mrežnih ionov in poveča se kaos toplotnega gibanja samih elektronov, zaradi česar se prevodnik segreje, ko tok prehaja skozi njega.

V dielektrikih, polprevodnikih, elektrolitih, plinih, nepolarnih tekočinah je lahko razlog za upor drugačen, vendar Ohmov zakon očitno ne ostane trajno linearen.

Tako pri kovinah zvišanje temperature vodi do še večjega povečanja toplotnih vibracij kristalne rešetke in poveča se odpornost proti gibanju prevodnih elektronov.To je razvidno iz poskusa s svetilko: svetlost sijaja se poveča, tok pa se poveča manj. To pomeni, da je sprememba temperature vplivala na odpornost žarilne nitke.

Posledično postane jasno, da odpornost kovinske žice skoraj linearno odvisna od temperature. In če upoštevamo, da se pri segrevanju geometrijske dimenzije žice nekoliko spremenijo, potem je tudi električni upor skoraj linearno odvisen od temperature. Te odvisnosti je mogoče izraziti s formulami:

Bodimo pozorni na kvote. Recimo, da je pri 0 ° C upor prevodnika R0, nato pa bo pri temperaturi t ° C prevzel vrednost R (t), relativna sprememba upora pa bo enaka α * t ° C. Ta faktor sorazmernosti α se imenuje temperaturni koeficient upora ... Označuje odvisnost električnega upora snovi od njene trenutne temperature.

Ta koeficient je številčno enak relativni spremembi električnega upora prevodnika, ko se njegova temperatura spremeni za 1K (ena stopinja Kelvina, kar je enakovredno spremembi temperature za eno stopinjo Celzija).

Pri kovinah je TCR (temperaturni koeficient upora α), čeprav razmeroma majhen, vedno večji od nič, ker ob prehodu toka elektroni pogosteje trčijo z ioni kristalne mreže, višja je temperatura t. večje je njihovo toplotno kaotično gibanje in večja je njihova hitrost.Ko v kaotičnem gibanju trčijo z mrežnimi ioni, elektroni kovine izgubijo energijo, kar vidimo kot rezultat - upor se poveča, ko se žica segreje. Ta pojav se tehnično uporablja v uporovni termometri.

Tako temperaturni koeficient upora α označuje odvisnost električnega upora snovi od temperature in se meri v 1 / K - kelvin na moč -1. Vrednost z nasprotnim predznakom imenujemo temperaturni koeficient prevodnosti.

Kar zadeva čiste polprevodnike, je TCS zanje negativen, to pomeni, da se upor zmanjšuje z naraščajočo temperaturo, to je posledica dejstva, da z naraščanjem temperature vse več elektronov prehaja v prevodno območje, medtem ko se koncentracija lukenj povečuje. . Enak mehanizem je značilen za tekoče nepolarne in trdne dielektrike.

Polarne tekočine močno zmanjšajo svoj upor z naraščajočo temperaturo zaradi zmanjšanja viskoznosti in povečanja disociacije. Ta lastnost se uporablja za zaščito elektronskih cevi pred uničujočimi učinki visokih vhodnih tokov.

Pri zlitinah, dopiranih polprevodnikih, plinih in elektrolitih je toplotna odvisnost upora bolj zapletena kot pri čistih kovinah. Uporabljajo se zlitine z zelo nizkim TCS, kot sta manganin in konstantan električni merilni instrumenti.